TWI716310B

TWI716310B - 高分子材料之發泡方法及其系統

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Publication number: TWI716310B
Application number: TW109111626A
Authority: TW
Inventors: 蘇榮華; 蘇柏豪; 蘇琮然; 蘇子銓
Original assignee: 蘇榮華
Priority date: 2020-04-07
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2021-01-11
Also published as: TW202138156A

Abstract

本發明係為一種高分子材料之發泡方法及其系統，包含有一一原料供應及成型單元、預熱單元、含浸微發泡單元、發泡單元、定形單元、發泡模式選擇單元、第一級氣體取得單元、第二級氣體取得單元、浸潤用氣體產生單元與一發泡用氣體產生單元；藉此，利用上述系統，可提供高分子原料或已含浸之高分子原料進行發泡；藉此，俾提供一種利用空氣作為發泡媒介，且可提高該些高分子材料發泡作業效率之發泡系統及方法。

Description

高分子材料之發泡方法及其系統

本發明係為一種高分子材料之發泡方法及其系統，尤指一種利用空氣作為發泡媒介，且可提高該些高分子材料發泡作業效率之發泡系統及方法。

按，由於高分子材料發泡產品具有防撞、保溫、彈性佳、隔音絕熱、可減少材料重量與可節省材料之優點，因此發泡產品係被廣泛應用於各種用途中(如：鞋底、防撞材、交通運輸、房屋建築、...等)，而該些發泡產品皆利用添加適當發泡劑，以將塑膠材料加工成多孔性之結構，使所得發泡成品密度低於原來之塑膠材料。然，上述添加發泡劑之發泡方式，由於其不僅會有造成環境汙染之疑慮，且會產生異味，而很容易造成人員之不適。

為改善上述缺失，目前發泡產品多改以物理發泡之方式來產生，其係將氮氣或二氧化碳經加熱加壓，使氮氣或二氧化碳形成超臨界流體後溶於待發泡物中，接著降低壓力，使氮氣或二氧化碳汽化並自帶發泡物分離，即可令待發泡物發泡成型。

上述物理發泡之方式雖不使用化學發泡劑，然因其必須利用氮氣或二氧化碳作為媒介，使得業者必須購置氮氣或二氧化碳來使用，其不僅成本較高、費用昂貴，且必須設置存放氮氣或二氧化碳之空間；另，由於上述物理發泡之方式，必須耗費時間對待發泡物與氮氣或二氧化碳進行加熱，實有費時費能之缺失待改進。

本發明之目的，即在於改善上述之缺失，俾提供一種利用空氣作為發泡媒介，且可提高該些高分子材料發泡作業效率之發泡系統。

為達到上述目的，本發明之高分子材料之發泡系統，包含有一原料供應及成型單元、預熱單元、含浸微發泡單元、發泡單元、定形單元、發泡模式選擇單元、第一級氣體取得單元、第二級氣體取得單元、浸潤用氣體產生單元與一發泡用氣體產生單元；其中：原料供應及成型單元，係用以儲存高分子原料，其具有一高分子原料槽及一已含浸之高分子原料槽，該高分子原料槽及已含浸之高分子原料槽並連接一成型機，該成型機可為射出成型機或擠出成型機，該成型機係用以將高分子原料成型為所需之形狀；預熱單元，係與原料供應及成型單元連接，用以對原料供應及成型單元所輸入之高分子原料進行預熱升溫；含浸微發泡單元，係與預熱單元連接，用以提供經預熱單元輸入之高分子原料進行浸潤及微發泡；發泡單元，係與原料供應及成型單元及含浸單元連接，用以提供輸入之高分子原料進行發泡；定形單元，係與含浸微發泡及發泡單元連接，用以修飾尺寸、花紋之細部定形加工；發泡模式選擇單元，係與預熱單元、含浸微發泡單元及發泡單元電性連接，其可提供高分子原料選擇一次發泡製程或二次發泡製程；第一級氣體取得單元，係與外部空氣連接，用以將空氣進行初次壓縮，並將該空氣排除油、水及氧氣，且該第一級氣體取得單元並具有一低壓儲存緩衝槽，用以儲存排除油、水及氧氣之氣體；第二級氣體取得單元，係與第一級氣體取得單元連接，用以對經初次壓縮後之氣體再壓縮，使形成低壓流體，且該第二級氣體取得單元係分別與浸潤用氣體產生單元、發泡用氣體產生單元連接；浸潤用氣體產生單元，係與第二級氣體取得單元連接，其可對輸入之氣體再壓縮並進行加熱，使低壓流體達到可含浸之溫度形成高壓緻密性流體，該浸潤用氣體產生單元並與含浸微發泡單元連接，且浸潤用氣體產生單元與含浸微發泡單元間設有一浸潤用氣體控制模組，該浸潤用氣體控制模組可控制浸潤用氣體產生單元之高壓緻密性流體輸入含浸微發泡單元之啟閉；發泡用氣體產生單元，係與第二級氣體取得單元連接，其可對輸入之低壓流體進行加熱，使氣體達到可發泡之溫度形成低壓緻密性流體，該發泡用氣體產生單元並與發泡單元連接，且發泡用氣體產生單元與發泡單元間設有一發泡用氣體控制模組，該發泡用氣體控制模組可控制發泡用氣體產生單元之低壓緻密性流體輸入發泡單元之啟閉；藉由上述構造，俾提供一種利用空氣作為發泡媒介，且可提高該些高分子材料發泡作業效率之發泡系統。

10:原料供應及成型單元

11A:高分子原料槽

11B:已含浸之高分子原料槽

12:成型機

20:預熱單元

30:含浸微發泡單元

40:發泡單元

50:定形單元

60:發泡模式選擇單元

70:第一級氣體取得單元

71:低壓儲存緩衝槽

80:第二級氣體取得單元

90A:浸潤用氣體產生單元

90B:發泡用氣體產生單元

91A:浸潤用氣體控制模組

91B:發泡用氣體控制模組

100A:第一流體回收管

100B:第二流體回收管

101:開關閥

102:開關閥

103:開關閥

104:洩壓閥

111:開關閥

112:開關閥

113:洩壓閥

〔圖1〕係本發明之系統圖。

〔圖2〕係本發明中高分子原料之發泡流程圖。

〔圖3〕係本發明中已含浸之高分子原料之發泡流程圖。

〔圖4〕係本發明之系統圖，及高分子原料發泡流程示意圖(一)。

〔圖5〕係本發明之系統圖，及高分子原料發泡流程示意圖(二)。

〔圖6〕係本發明之系統圖，及高分子原料發泡流程示意圖(三)。

〔圖7〕係本發明之系統圖，及高分子原料發泡流程示意圖(四)。

〔圖8〕係本發明之系統圖，及高分子原料發泡流程示意圖(五)。

〔圖9〕係本發明之系統圖，及已含浸之高分子原料發泡流程示意圖(一)。

〔圖10〕係本發明之系統圖，及已含浸之高分子原料發泡流程示意圖(二)。

有關本發明為達到目的所運用之技術手段及其構造，茲謹再配合圖1至圖10所示之實施例，詳細說明如下：

如圖1所示，本發明之高分子材料之發泡系統，包含有一原料供應及成型單元10、預熱單元20、含浸微發泡單元30、發泡單元40、定形單元50、發泡模式選擇單元60、第一級氣體取得單元70、第二級氣體取得單元80、浸潤用氣體產生單元90A與一發泡用氣體產生單元90B；其中：

原料供應及成型單元10(請參閱圖1所示)，係用以儲存高分子原料，其具有一高分子原料槽11A及一已含浸之高分子原料槽11B，該高分子原料槽11A及一已含浸之高分子原料槽11B並連接成型機12，該成型機12可為射出成型機或擠出成型機。

預熱單元20(請參閱圖1所示)，係與原料供應及成型單元10連接，用以對原料供應及成型單元10所輸入之高分子原料進行預熱升溫。

含浸微發泡單元30(請參閱圖1所示)，係與預熱單元20連接，用以提供經預熱單元20輸入之高分子原料進行浸潤及微發泡。

發泡單元40(請參閱圖1所示)，係與原料供應及成型單元10及含浸微發泡單元30連接，用以提供輸入之高分子原料進行發泡。

定形單元50(請參閱圖1所示)，係與含浸微發泡30及發泡單元40連接，用以對發泡後之產品修飾尺寸、花紋之細部定形加工。

發泡模式選擇單元60(請參閱圖1所示)，係與預熱單元20、含浸微發泡單元30及發泡單元40電性連接，其可提供高分子原料選擇一次發泡製程或二次發泡製程。

第一級氣體取得單元70(請參閱圖1所示)，係與外部空氣連接，用以將空氣進行初次壓縮，並將該空氣排除油、水及氧氣，且該第一級氣體取得單元70並具有一低壓儲存緩衝槽71，用以儲存排除油、水及氧氣之氣體。

第二級氣體取得單元80(請參閱圖1所示)，係與第一級氣體取得單元70連接，用以對經初次壓縮後之氣體再壓縮，使形成低壓性流體，且該第二級氣體取得單元80係分別與浸潤用氣體產生單元90A、發泡用氣體產生單元90B連接。

浸潤用氣體產生單元90A(請參閱圖1所示)，係與第二級氣體取得單元80連接，其可對輸入之低壓流體再壓縮並進行加熱，使氣體達到可含浸之溫度形成高壓緻密性流體，該浸潤用氣體產生單元90A並與含浸微發泡單元30連接，且浸潤用氣體產生單元90A與含浸微發泡單元30間設有一浸潤用氣體控制模組91A，該浸潤用氣體控制模組91A可控制浸潤用氣體產生單元90A之高壓緻密性流體輸入含浸微發泡單元30之啟閉。

發泡用氣體產生單元90B(請參閱圖1所示)，係與第二級氣體取得單元80連接，其可對輸入之低壓流體進行加熱，使氣體達到可發泡之溫度形成低壓緻密性流體，該發泡用氣體產生單元90B並與發泡單元40連接，且發泡用氣體產生單元90B與發泡單元40間設有一發泡用氣體控制模組91B，該發泡用氣體控制模組91B可控制發泡用氣體產生單元90B之低壓緻密性流體輸入發泡單元40之啟閉。

承上述，較佳之實施例是，該含浸微發泡單元30、第一級氣體取得單元70、第二級氣體取得單元80與浸潤用氣體產生單元90A間連接有第一流體回收管100A，該第一流體回收管100A與第一級氣體取得單元70、第二級氣體取得單元80與浸潤用氣體產生單元90A間分別設有一開關閥101、102、103，該第一流體回收管100A之末端則設有一洩壓閥104。

承上述，較佳之實施例是，該發泡單元40、第一級氣體取得單元70、第二級氣體取得單元80與浸潤用氣體產生單元90A間連接有第二流體回收管100B，該第二流體回收管100B與第一級氣體取得單元70及第二級氣體取得單元80間分別設有一開關閥111、112，該第二流體回收管100B之末端則設有一洩壓閥113。

本發明之高分子材料之發泡方法，當該高分子原料為單一種原料、或依據需求調配不同原料之高分子原料時，其包含有如下之步驟：

成型：利用射出成型機(或擠壓成型機)將上述之高分子原料成型成所需之形狀(如：成品縮小模或原料顆粒)。

預熱：將上述經成型步驟成型為所需形狀之高分子原料預先加熱以提高其溫度。

選擇一次發泡或二次發泡作業：上述經預熱步驟的高分子原料選擇一次發泡或二次發泡作業，然後進入含浸微發泡步驟。

含浸微發泡：上述經預熱步驟的高分子原料輸入高壓緻密性流體，然後進行加熱及提高壓力，使得高分子原料及緻密性流體之溫度升溫至40~120℃，並使其壓力增加至80~350kg/cm²，藉以使緻密性流體進入高分子原料中。而選擇一次發泡之高分子原料經微發泡完成後，即形成已微發泡之高分子原料，若為放置於模具中，即成形完成微發泡產品，若未放置於模具中而經自由微發泡形成微發泡之高分子半成品，則進入尺寸及花紋細部定形步驟；而選擇二次發泡之高分子原料經浸潤完成後，即形成具有浸潤氣體之高分子原料，此時，該具有浸潤氣體之高分子原料可進入發泡步驟，或具有浸潤氣體之高分子原料為顆粒狀時，其亦可輸送回收形成為已含浸之高分子原料。

發泡：將上述經含浸微發泡步驟而具有浸潤氣體之高分子原料置於模具中或自由放置，輸入低壓緻密性流體，使其溫度加熱至100~350℃，壓力下降至5~50kg/cm²，即可使具有浸潤氣體之高分子原料開始發泡；當發泡完成後，該放置於模具中之具有浸潤氣體之高分子原料即依據模具之形狀發泡成型為完成品；而未放置於模具中之具有浸潤氣體之高分子原料則自由發泡成型而形成發泡半成品，並進入尺寸及花紋細部定形步驟。

尺寸及花紋細部定形：將上述含浸微發泡步驟中未放置於模具中之微發泡之高分子半成品，或發泡步驟中未放置於模具中之已發泡之發泡半成品進行尺寸修飾及及細部花紋修飾定形，使得該微發泡之高分子半成品或發泡半成品可成型完成所需之尺寸及花紋。

而當欲發泡之高分子原料為已含浸之高分子原料時，不論其為已含浸之單一種原料或由多種原料所調配含浸而成，其包含有如下之步驟：

成型：利用射出成型機(或擠壓成型機)將上述之已含浸之高分子原料或成型成所需之形狀(如：成品縮小模或原料顆粒)。

一次發泡作業：上述成型後之已含浸高分子原料直接選為一次發泡作業，然後進入發泡步驟。

發泡：將上述已含浸之高分子原料置於模具中或自由放置，輸入低壓緻密性流體，使其溫度加熱至100~350℃，壓力下降至5~50kg/cm²，即可使該些已含浸之高分子原料開始發泡；當發泡完成後，該放置於模具中的已含浸之高分子原料即依據模具之形狀發泡成型為完成品；而未放置於模具中的已含浸之高分子原料則自由發泡成型而形成發泡半成品，並進入尺寸及花紋細部定形步驟。

尺寸及花紋細部定形：將上述發泡步驟中未放置於模具中之發泡半成品進行尺寸修飾及及細部花紋修飾定形，使得該微發泡之高分子半成品或發泡半成品可成型完成所需之尺寸及花紋。

而為使本發明之發泡系統及發泡方法更為清楚明瞭，請參閱圖1所示之系統圖及圖2、3所示之流程圖，詳細說明如下：

藉由上述裝置，如圖1、4、5所示，該第一級發泡氣體產生單元70吸取外部空氣後，將空氣進行初次壓縮，並將該空氣排除油、水及氧氣後，儲存於儲存緩衝槽71中，接著將該些排除油、水及氧氣之氣體輸入第二級氣體取得單元80中，以將氣體再次壓縮使其壓力為20~35kg/cm²，藉以形成低壓流體；接著將該低壓流體輸入浸潤用氣體產生單元90A及發泡用氣體產生單元90B 中，該輸入浸潤用氣體產生單元90A之低壓流體並經壓縮使壓力提高至100~400kg/cm²，同時進行加熱升溫，使形成高壓緻密性流體；而輸入發泡用氣體產生單元90B之低壓流體經加熱升溫使形成低壓緻密性流體。接著，利用原料供應及成型單元10中選擇所欲發泡之高分子原料號，開啟所選擇之原料槽(高分子原料槽11A或已含浸之高分子原料槽11B)，使該些高分子原料進入成型機12中成形為高分子顆粒(或縮小模)。

當欲發泡高分子原料時，請同時參閱圖1、2、4、5、6、7、8所示，開啟高分子原料槽11A，使高分子原料進入成型機12中成型為所需形狀之高分子原料，然後將該些高分子原料輸送進入預熱單元20進行加熱升溫至所設定之溫度，接著利用發泡模式選擇單元60選擇一次發泡製程或二次發泡製程；當選擇一次發泡製程時(如圖4所示)，該些高分子原料進入含浸微發泡單元30，此時，該浸潤用氣體產生單元90A之高壓流體藉由浸潤用氣體控制模組91A之控制使高壓緻密性流體輸入含浸微發泡單元30中，同時加熱升溫至40~120℃並提高壓力至80~350kg/cm²，使高壓緻密性流體進入高分子原料中而形成已微發泡之高分子原料，而當該些已微發泡之高分子原料為置於模具中微發泡時，即可成型為微發泡成品，而當該些已微發泡之高分子原料未置於模具中而自由微發泡時(如圖5所示)，即成型為微發泡半成品，然後將該些微發泡半成品輸送至定形單元50中，藉以利用定形單元50進行尺寸修飾及花紋細部修飾成形，藉以形成微發泡完成品。

當經預熱單元20預熱後之高分子原料選擇二次發泡製程時，該些高分子原料即進入含浸微發泡單元30，此時，該浸潤用氣體產生單元90A之高壓緻密性流體藉由浸潤用氣體控制模組91A之控制使高壓緻密性流體輸入含浸微發泡單元30中，同時加熱升溫至40~120℃並提高壓力至80~350kg/cm²，使高壓緻密性流體進入高分子原料中而形成具浸潤氣體之高分子原料，此時當具浸潤氣體之高分子原料為顆粒狀時，其可輸送進入原料供應及成型單元10中已含浸之高分子原料槽11B中備用(如圖6所示)；而該些具浸潤氣體之高分子原料亦可輸入發泡單元40中，此時，該發泡用氣體產生單元90B之低壓緻密性流體藉由發泡用氣體控制模組91B之控制使低壓緻密性流體輸入發泡單元40中，同時加熱升溫至100~350℃並將壓力降至5~50kg/cm²，使該些具浸潤氣體之高分子原料發泡，而當該些具浸潤氣體之高分子原料為置於模具中發泡時，即可成型為發泡成品(如圖7所示)，而當該些具浸潤氣體之高分子原料未置於模具中而自由發泡時，即成型為發泡半成品，然後將該些發泡半成品輸送至定形單元50中(如圖8所示)，藉以利用定形單元50進行尺寸修飾及花紋細部修飾成形，藉以形成發泡完成品。

另，當所欲發泡之原料為已含浸之高分子原料時，請同時參閱圖1、3、9、10所示，開啟已含浸之高分子原料槽11B，使已含浸之高分子原料進入成型機12中成型為所需形狀之高分子原料，而該已含浸之高分子原料由於已具有浸潤氣體及預設之溫度，因此其不須經由預熱單元20之預熱，並藉由發泡模式選擇單元60直接選擇進入一次發泡製程，使該些已含浸之高分子原料進入發泡單元40中，而該發泡用氣體產生單元90B之低壓緻密性流體藉由發泡用氣體控制模組91B之控制使低壓緻密性流體輸入發泡單元40中，同時加熱升溫至100~350℃並將壓力降至5~50kg/cm²，使該些已含浸之高分子原料發泡，而當該些具浸潤氣體之高分子原料為置於模具中發泡時，即可成型為發泡成品(如圖9所示)，而當該些已含浸之高分子原料未置於模具中而自由發泡時(如圖10所示)，即成型為發泡半成品，然後將該些發泡半成品輸送至定形單元50中，藉以利用定形單元50進行尺寸修飾及花紋細部修飾成形，藉以形成發泡完成品。

另，由於該含浸微發泡單元30單元及發泡單元40分別設有第一流體回收管100A、第二流體回收管100B，藉由開啟不同之開關閥101、102、103、111、112，使得含浸微發泡單元30單元之緻密性流體可輸送回收至第一級氣體取得單元70、第二級氣體取得單元80與浸潤用氣體產生單元90A，而發泡單元40中之緻密性流體可輸送回收至第一級氣體取得單元70與第二級氣體取得單元80；另外，該些緻密性流體亦可經由洩壓閥104、113排除至外界空氣中。

由是，從以上所述可知，本發明具有如下之優點：

(一)由於本發明係直接收集、利用空氣，將空氣中所含之油、水及氧氣排除後形成所需之氣體，再將氣體經壓縮、加熱後形成低壓緻密性流體或高壓緻密性流體；而無須購買高價之氮氣、二氧化碳，實可降低整體生產成本。

(二)由於本發明之原料供應及成型單元10中原料可為高分子原料或已含浸之高分子原料，而可利用本發明之系統進行發泡作業，不須備置兩套發泡系統，實可有效降低整體生產成本。

(三)由於本發明設有預熱單元，其可預先將高分子原料進行加熱升溫，使得高分子原料達到所需之溫度，進而可有效減少含浸微發泡單元30及發泡單元40之溫差，降低含浸微發泡單元30及發泡單元40之能量損耗，並可降低加熱及熱均勻之時間，提高整體作業之效率。

(四)再，由於本發明設有發泡模式選擇單元60可依據需求選擇一次或二次發泡製程，且本發明之含浸微發泡單元30及發泡單元40皆可依據需求調整浸潤及發泡氣體質量、發泡大小與品質，實具有發泡作業之方便性、成功性與高品質。

(五)又、由於本發明之發泡系統係利用第一級氣體取得單元70、第二級氣體取得單元80與浸潤用氣體產生單元90A來進行氣體逐次壓縮，而產生圍壓效果，進而可減少壓縮設備之損耗，提高氣體壓縮之效率。

(六)另，由於本發明係將含浸微發泡單元30與發泡單元40分別設計，其可有效降低含浸微發泡單元30所需之操作空間，增加高分子原料之浸潤數量，提高整體浸潤與發泡效率。

(七)由於本發明進一步具有定形單元，其可對未放置於模具中發泡之半成品進行尺寸與花紋細部修飾，使形成所需之尺寸與表面花紋，提高發泡成品之美觀性與完成性。

(八)又，利用本發明之發泡方法，其利用本發明之發泡系統可依據不同高分子原料所需之要求、浸潤或發泡次數、發泡品質來調整控制，實可提高本發明發泡方法之達成率與成功性。

因此，本發明確具有顯著之進步性，且其構造裝置及發泡方法確為未曾有過，誠已符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請，並祈賜專利為禱，至感德便。

惟以上所述，僅為本發明之可行實施例，該實施例主要僅在於用以舉例說明本發明為達到目的所運用之技術手段及其構造，因此並不能以之限定本發明之保護範圍，舉凡依本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化或修飾，皆應仍屬本發明所涵蓋之保護範圍者。